（电磁场与微波技术专业论文）石英光纤的受激拉曼散射效应及其对波分复用系统的影响研究.pdf

北京邮电大学博士学位论文 中文摘要 因特网业务的迅速发展和各种信息量的爆炸式增长，要求光纤通信系 统的容量不断扩大，密集波分复用( d w d m ) 技术和掺铒光纤放大器( e d f a ) 和拉曼光纤放大器( r f a ) 是挖掘光纤带宽能力，实现超高速、超大容量长 距离通信的最佳方式。通过合理设计波分复用系统，可以有效地消除或降 低诸如受激布星渊散射( s b s ) 、交叉相位调制( c p m ) 和四波混频( f w m ) 等非 线性效应对系统的影响，而波分复用系统的性能将主要受到受激拉曼散射 ( s r s ) 的限制，尤其是在系统复用信道数较多及信道间隔较小的情况下， 严重影响波分复用系统的性能。本文用数值计算的方法，从拉曼散射光功 率谱的角度研究了受激拉曼散射在石英光纤中的产生及演变，讨论对波分 复用系统的影响，提出并模拟用波长变换方法消除其对波分复用系统的影 响。具体工作主要包括以下三部分： 1 光纤中的受激拉曼散射谱的研究：在泵浦光与斯托克斯光的波耦 合方程的基础上，将所研究的光谱范围分为小的区间，并且将为频率差函 数的拉曼增益系数按熔石英光纤的实际测量的数据进行离散化处理，在连 续和准连续泵浦波条件下，建立所有区间波耦合微分方程组，用数值方法 得出受激拉曼散射在光纤中的形成，讨论不同长度的光纤达到受激拉曼散 射所需的泵浦光阈值功率及受激拉曼散射谱与光纤长度、泵浦光功率的关 系，得到高阶受激拉曼散射在光纤中逐级泵浦的过程，所得结果对拉曼光 纤激光器、拉曼光纤放大器的设计及受激拉曼散射对波分复用系统影响的 研究具有很大的理论意义。 2 受激拉曼散射对波分复用光纤通系统的影响研究：考虑n 信道信 号光之间的受激拉曼散射耦合，同时也考虑最长波长的信道以外的拉曼吸 收，各信道输入等功率的稳念信号，计算不同初始信号功率情况下输出端 各信道的功率分布及其随光纤传播长度的变化，讨论了受激拉曼散射效应 对光波分复用系统的影响和对信道最大功率的限制。得出输出端信道信号 北京邮电大学博士学位论文 的总功率差与输入功率、信道间隔及信道数目之间的关系，由此合理设计 使受激拉曼散射效应对波分复用光纤通系统的影响在能够容忍的范围内。 3 利用频谱反转技术消除s r s 对波分复用光纤传输系统影响：对n 信道w d m 系统，模拟不同仞始信号功率下波长变换i j 后各信道的功率分 布，功率分布按信道顺序对称反转并传输一定距离后，主要由受激拉曼散 射引起的信道的总功率差可以降低到最小，光谱反转技术可以减小和消除 w d m 系统中受激拉曼散射引起的信道间的串扰，将成为使波分复用光纤 通信系统容量进一步提高，优化系统性能的新技术。 关键词：受激拉曼散射，波分复用，波长变换技术 北京邮电大学博士学位论文 a b s t r a c t t h ed r a m a t i cg r o w t ho ft h ei n t e r n e ta n dt h ev a r i e t yi n f o r m a t i o nc a p a c i t y i n v i t e sac o n t i n u o u s d e v e l o p m e n to ff i b e r t r a n s m i s s i o ns y s t e m w a v e l e n g t h d i v i s i o nm u l t i p l i e r ( w d m ) w i t he r b i u md o p e df i b e ra m p l i f i e r ( e d f a ) a n dr a m a nf i b e r a m p l i f i e r ( r f a ) o f f e r st h eb e s tw a y o fs u p e rl o n gd i s t a n c et r a n s m i s s i o no fi n f o r m a t i o n w i t h s u p e rh i g h r a t ea n dt h e h u g ec a p a c i t y t h ef i b e rn o n l i n e a rs u c ha ss t i m u l a t e d b r i r i u ms c a t t e r i n g ( s b s ) ，c r o s s p h a s em o d u l a t i o n ( c p m ) ，a n df o u rw a v em i x t u r e ( f w m ) ，t h ef a c t o r sw h i c ha f f e c t i n gw d ms y s t e mp e r f o r m a n c e 、c o u l db ec a n c e l t a t e db y s u i t a b l ed e s i g n ，h e n c es t i m u l a t e dr a m a ns c a t t e r i n g ( s r s ) w i l lb et h em a i nf a c t o rw h i c h s e v e r e l y l i m i tt h e c a p a c i t yo fm a s s i v ew d ms y s t e m ，e s p e c i a l l yi n t h e s y s t e m w i t l l h i g h l yd e n s ec h a n n e l sa n dt i n yc h a n n e ls p a c e t h i sd i s s e r t a t i o nn o to n l yc o n c e r n e dw i t h h o ws r se f f e c tf o r m e da n dd e v e l o p e di ns i l i c af i b e ra n dh o wi t p e r f o r m a n c ei naw d m s y s t e m ，b u ta l s oo f f e r e dat h e o r e t i c a ld e m o n s t r a t i o no fs r sc a n c e l l a t i o ni nw d m s y s t e m b ys p e c t r a li n v e r s i o nt e c h n i q u e i tm a i n l yi n c l u d e dt h r e ep a r t so ft h ef o l l o w i n gp r a c t i c e w o r k ： 1t h ei n v e s t i g a t i o no fs r ss p e c t r u mi n o p t i c a lf i b e r s ：b a s e do nt h ec o u p l ew a v e s e q u a t i o no fp u m p a n ds t o c k sw a v e s ，t h ei n t e r e s t e ds p e c t r u mr a n g ew a sd i v i d e di n t ot i n y i n t e r v a l s ，c o n s i d e r i n gt h er e a lr a m a ng a i np r o f i l eo fs i l i c af i b e r ，af u n c t i o no ff r e q u e n c y d i f f e r e n c e ，t h ed i f f e r e n t i a le q u a t i o n so fe n t i r ef r e q u e n c yi n t e r v a lw e r em a d e ，o nt h e c o n d i t i o no fc o n t i n u o u sa n d q a s i c o n t i n u o u sp u m pw a v e ，t h es o l u t i o no ft h ea b o v e e q u a t i o n sg i v e dt h ef o r m u l a t i o no fs r si no p t i c a lf i b e r s t h es r st h r e s h o l dp u m pp o w e r w i t hd i f f e r e n tf i b e rl e n g t ha n dt h er e l a t i o nb e t w e e ns r ss p e c t r u ma n dt h eb o t hf i b e r l e n g t ha n dp u m pp o w e rw e r ed i s c u s s e d t h ed e t a i l e dp r o c e s so ft h eh i g h e ro r d e r ss r s b yc a s c a d e dp u m p e dw e r eo b t a i n e d t h ea b o v er e s u l t s p r o v i d e dw i t hg r e a tt h e o r e t i c s i g n i f i c a n ti nt h ed e s i g no fr a m a nf i b e rl a s e r ( r f l ) ，a n dr f aa n ds t u d i e so nh o ws r s a f f e c t e dw d m s y s t e m s 北京邮电大学博士学位论文 2 i n v e s t i g a t i o no f s r sa f f e c to nw d m s y s t e m ：r a m a na b s o r p t i o nw a sc o n s i d e r e da s w e l la st h es r sc o u p l ei n t e r a c t i o na m o n gt h enw a v e l e n g t h sc h a n n e li nt h ew d m s y s t e m w ea s s u m e dac wi n p u ti ne a c hc h a n n e l sw i t hs a m e p o w e r ，t h ep o w e r d i s t r i b u t i o ni na l ic h a n n e l sv a r i e sw i t hd i f f e r e n tf i b e rl e n g t ha n di n i t i a lp o w e r m a g n i t u d e w e r ed e s c r i b e d t h es r sl i m i t a t i o no nw d mt r a n s m i s s i o nw a sd i s c u s s e d ，t h er e l a t i o n b e t w e e nt h ep o w e rd i f f e r e n c eo fa l lc h a n n e l sa n di n p u tp o w e r m a g n i t u d e ，c h a n n e ls p a c e ， a n dt h ec h a n n e ln u m b er w ec a nf i n dab a l a n c ea m o n gt h ea l l p a r a m e t e r so fw d m s y s t e mi no r d e rt ol i m i tt h es r sa f f e c ti nam n g eo fa c c e p t a b l e 3c a n c e l l a t i o n o fs r si nw d ms y s t e m b ys p e c t r a l i n v e r s i o n ：t h e p o w e r d i s t r i b u t i o nw a ss i m u l a t e d b e f o r ea n da f t e rs p e c t r a li n v e r s i o n ，i naw d m s y s t e mw i t hn w a v e l e n g t hc h a n n e l s l o a d e dt h es a m e p o w e rc w b yt r a n s m i s s i o n ad i s t a n c ea f t e r s p e c t r a li n v e r s i o n ，t h ep o w e rd i f f e r e n c eo fa l lc h a n n e l sc o u l db ed e c r e a s e dt om i n i m u m i tw a sd e m o n s t r a t e dt h a ts p e c t r a li n v e r s i o nc o u l db ea l s ou s e dt oc a n c e ls r s c r o s s t a t ki n w d m s y s t e m ，s p e c t r a li n v e r s i o nt e c h n i q u ew i l lp l a yan e wr o l ei nt h ed e v e l o p m e n to f w d m c a p a c i t ya n dt h eo p t i m i z a t i o no f t h es y s t e mp e r f o r m a n c e k e yw o r d s s t i m u l a t e dr a m a ns c a t t e r i n g ；w a v e l e n g t h d i v i s i o n m u l t i p l i e r ；s p e c t r a i n v e r s i o n v 北京邮电大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 光纤通信网络的发展 光纤通信已成为现代通信网的基本组成部分，随着语音、图象和数据等信 息量爆炸式的增长，尤其是园特网的迅速崛起，不断扩大光纤通信容量已是必 然趋势。包括远程教育、电子商务、可视电话、电视会议的宽带多媒体等各种 形式的通信流量出现了爆炸式增长i 近几年来全球带宽的要求和光纤通信系 统的容量正以无可比拟的速度增长，保守的估计是每6 个月翻一番，在过去的 l o 年中，光传输的容量提高了1 0 0 倍左右，波分复用技术( w a v e l e n g t hd i v i s i o n m u l t i p l i e rw d m ) 为光通信的繁荣做出了巨大的贡献。波分复用技术的出现使光 通信系统的容量几十倍成百倍地增长，而波分复用和光纤放大器是充分挖掘光 纤带宽能力，实现大容量、高速通信的最佳手段 1 。2 0 世纪9 0 年代后，光纤 通信成为一个发展迅速、技术更新快、新技术不断出现的技术领域。人们的注 意力集中在具有光纤放大器的波分复用技术上，特别是波分复用给出了对目前 高带宽需求的主要的解决方案，密集波分复用( d w d m ) 技术和掺铒毙纤放大器 t e d f a ) n i 拉曼光纤放大器( r j 强) 的迅速实用化，为高速率、大容量信息的长距 离传输实现的方式，也为以波长选路为基础的全光通信网的发展提供了可能。 随着公用通信网及i n t e r n e t 的快速发展。大规模地应用波分复用技术已是必 然趋势。光纤在1 3 p m 和1 5 5 1 a n 波段的低损耗窗口，具有丰富的频率资源，可 以支持多信道的同时传输，采用波分复用技术，通过根光纤传输多个波长的 光信号。能极大地增加光纤的传输容量，加大对光纤低损耗区的利用。单个光 源的谱线宽度只占极窄的一部分，如果把多个光源发送的光信号峰值波长适当 错丌，同时在一根光纤上传输，则可以大大增加光纤的传输容量。由于每个光 源是以不同的峰值波长工作的，每个不同峰值波长分别携带各自的信息( 数字信 号和模拟信号) ，当在接收端转换成电信号时，可以完整地保持来自每个独立光 北京邮电大学博士学位论文 源的信息，实现不同波长的光信号同时在根光纤上的复用传输，如图11 ，从 而提高了光纤带宽资源的利用率。实现波分复用。显然，这种方式频谱利用率 的高低取决于所允许的光源峰值波长间的间隔，这与所用波分复用器的性能及 光源谱线宽度有关，另外，由于在一根光纤中同时传输多个波长的光信号，信 道之问必然会产生串扰 2 8 ，因此恰当地确定信道间隔和信道带宽及信道功率 对于设计波分复用传输系统来说，无疑是非常重要的，这既可充分利用光纤的 低损耗窗口波段，又能保证传输的质量。 a l 五2 ： a 单模石英光纤 合 分 演波 器器 图1 1n 信道单向波分复j j 单模光纤的传输系统 ；l 1 2 二十世纪七十年代低损耗光纤的发展带来了通信工业的巨大变化，为高速 通信提供了巨大的带宽，光纤损耗降至0 2 d b k m 以下，尤其是近年朗：讦l , ( l u c e n t l 推出了新型的商用全波光纤( a l lw a v ef i b e r ) ，由于消除了l 3 1 6 皿l 之间的 。一h 吸收蜂，这种全波光纤的可用带宽达到5 0 t h z ，与八十年代发展起来的 e d f a ，共同构成新一代洲际和跨海光纤网络。 标准单模光纤的适用工作区有两个如图1 2 ，1 3 1 0 n m 和1 5 5 0 n m 窗口【9 】，按 照f t u - t 的规范，1 3 ：0 n m 窗口既适用于长途通信，又适用于短距离通信，其低 损耗区大约在1 2 6 0 - 1 3 6 0 n m ，共计1 0 0 r i m 宽相当于1 7 5 t h z 频带的宽度，按 标准信道间隔最小值1 0 0 g h z ，共1 7 5 信道。1s 5 0 n m 窗口主要适用于长途通信 2 北京邮电大学博士学位论文 其低损耗区( c + l 段) 大约在1 5 3 0 1 6 0 4 n m ，有7 0 n m 宽，相当于8 6 t h z 频带的宽 度。两个窗口共有约1 7 0 n m 宽的低损耗区可用，这一巨大的带宽资源目前只利 用t i e d , 的部分，随着光纤制造技术和波分复用等技术的进一步发展，尤其是全 波光纤的出现，增加了光纤的可利用波段，信道问隔大大缩短，因此，光通信系 统的容量有羞无比广阔的增长空间。 图1 2 石英光纤的传输窗口 在波分复用系统中，1 5 3 0 1 5 6 2 r t m 波段称为c 波段( 即通常所说的1 5 5 0 r i m 波段窗口) 。随着通信业务的扩容，波分复用系统使用的波长数越来越多，l 波 段( 1 5 7 0 1 6 0 4 r i m ) 和s 波段( 1 3 6 5 - 1 5 2 5 n m ) 又相继被定义 9 】，把s 、c 、l 波段 联合起来可提供大约2 3 0 r i m 的波分可用区域。国外许多大公司已经能提供 2 0 0 3 0 0 个波长的波分复用系统。如果再对波分复用系统进行色散补偿和非线 性控制，系统容量将大大提升，从而传输容量可以很容易地增长几个数量级， 由于数据业务的增长对传输技术形成的巨大压力，波分复用系统的容量已突破 t b i 以( 相当于l 亿5 千多万路电话) 的水平 1 0 - 1 3 ，实验室水平首次达到t b i t s 是在1 9 9 6 年 1 4 ，t 5 ，到1 9 9 9 年2 月就已有3 2 t b i t s 1 6 ，到2 0 0 1 年为止已 达1 0 t b i t s 【1 7 ，1 8 。目前实验室已在部分低损耗波段内成功地实现了1 g h z 间隔、4 0 0 0 通道的波分复用传输实验 1 。在实际应用方面，以3 0 通道、1 0 0 g h z 3 北京邮电大学博士学位论文 的间隔传输1 0 g b s 的系统( 0 3 t b i t s ) 已经实现商用，这样的系统在技术上已 相当成熟，另外1 0 t b s 的系统也已开发出来，这个系统中，通道数目多达3 0 0 ， 每个通道以4 0 g b s 的速率调制。 波分复用系统的另一个发展方向是网络化，形成波分复用光网络，也日q 光 传送网( o p t i c a lt r a n s p o r tn e t w o r k ，o t n ) ，它的基本思想是将点到点的波分复 用系统，用光交叉互连( 0 p t i c a lc r o s sc o n n e c t o r ，o x c ) 节点和光分插复用( o p t i c a l a d d d r o pm u l t i p l e x e r ，o a d m ) 节点连接起来，组成光传送网。波分复用技术完 成o t n 节点之间的多波长通道的光信号传输，o x c 节点和o a d m 节点则完成 网络的交换功能，光传送网有大容量和经济性等优点。 在波分复用系统的容量迅速增长的过程中，有几方面是值得注意的： 首先波分复用与其他复用技术的结合尤其是和光时分复用，光时分复用是 利用平面波导延迟线阵列或者高速开关来实现，而全光时域解复用器则常常基 于四波混频( f w m ) 或非线性光纤环形镜( n o l m ) 等； 其次，光放大器的进展，掺铒光纤放大器( e d f a ) 是波分复用技术实用化的 关键【l9 】，但普通e d f a 的放大带宽只有约3 5 n m ( 1 5 3 0 1 5 6 5 n m ) ，只覆盖了石 英单模光纤低损耗窗口的一部分这样就限制了能够容纳的波长信道数，因此， 要迸一步提高传输容量，增大光放大器的带宽非常必要，最近比较引人注目的 是掺锗光纤放大器 2 0 ，2 l 】和光纤拉曼放大器【2 2 2 5 】，石英光纤中的拉曼增益谱 宽达4 0 t h z ，主峰在1 3 t h z 附近，利用这一特性，光纤可以用作宽带放大器。 但受激拉曼效应的泵浦阈值较高，实现拉曼放大器的关键是高功率泵浦，光纤 拉曼放大器的优点是：只要能得到所需的泵清波长就可以在任何波长处提供增 益：增益介质是光纤。可以制成分布式放大器：噪声低，将拉曼放大器与e d f a 组合起来，可以得到带宽高于1 0 0 r i m 的光放大器： 第三，色散及色散斜率问题，色散问题本身并不是波分复用所独有的，而 且目前已发展出很多色敝补偿技术试图解决色散问题【2 6 】。但在波分复用系统 中，出于光纤的色散斜率不为0 ，导致了色散特性与波长有关。不同的波长通道 的色散大小是不一样的，这就给色散补偿技术带来新的课题，好的色散补偿技 北京邮电大学搏士学位论文 术应同时补偿波分复用的所有波长通道的不同大小的色散效应； 第四，放大器的监测与控制技术的进展，由于实际通信系统的各参数会随 时间、环境等外界因素的变动而发生改变，这就要求放大器的工作点也相应的 改变，以达到最佳状态，这在超大容量的系统中尤为重要，这些控制内容包括 输出功率的控制和不同波长通道的增益均衡； 第五，波分复用器和解复用器的进展，随着波分复用数的不断增加，波长 通道间隔的不断减小，波分复用复用，解复用器的要求也越来越高，它要求高 的中心波长的稳定性，平坦的带通特性。对其他通道的高抑制能力，陡峭的滚 降特性等，实现波分复用复用、解复用的技术通常由阵列波导光栅( a w g ) ，光纤 光栅( f b g ) 和其他干涉型滤光器件。 光传输的容量的提高主要与光纤技术、波分复用系统的容量和光传送网的 发展密切相关。在未来可预见的几年里，当前典型的波分复用技术还将在市场 上占据主要地位，光纤本身的发展和它对波分复用技术的影晌及波分复用系统 的容量的进一步发展成为人们非常关注的话题。基础非线性光学的研究在解释 信号在光纤中传输的限制是非常必要的。 1 2 影响光传输的容量提高的因素 光纤是传输光信息的载体，它的发展对波分复用系统的影响也不容忽视。 在数十年的发展过程中，光纤通信系统经历了三代：( 1 ) 工作波长为0 8 5 9 m 多 模光纤光通信系统：( 2 ) m 作波长为1 3 1 a m 多模光纤光通信系统和单模光纤光通 信系统：( 3 ) t 作波长为i 5 5 9 m 单模光纤光通信系统。而色散位移光纤是应用 于第三代光纤通信系统的一项重要成就。普通单模光纤的零色散点在1 3 1 t i m 附近，色散位移光纤将零色散点从1 3 1 i t m 移到1 5 5 1 1 m ，有效地解决了15 5 h m 光通信系统的色散问题。光纤放大器的发明和波分复用技术的采用迫使人们面 对光纤的非线性效应。在标准单模光纤( g 6 5 2 ) ，色散位移光纤( g 6 5 3 ) 和非零色 散位移光纤( g 6 5 5 ) 的基础上，康宁( c o r n i n g ) 和朗讯( l u c e n t ) 分别推出了大有 效面积光纤( l e a f ) 和低色散斜率光纤( r s t u r ew a v e ) 光纤，它们都是第二代的 北京邮电大学博士学位论文 非零色散位移光纤大有效面积光纤大大增加了光纤的模场直径，光纤有效面 积从5 5um 2 增加到7 2 “m 2 ，增加了3 2 ，在相同的入纤功率时，减小了光纤的 非线性效应，与传统光纤相比，它可以承载更高功率的光信号，这意味着更多 的波长通道数目，更低的误码率，更长的放大间距和更少的放大器，所有这一 切都意味着更大的容量和更低的成本；低色散斜率光纤的优点是色散斜率小， 仅为0 0 4 5 p s n m 2 k m ，大大低于普通的色散斜率，这意味着大的波长通道数目、 高的革通道码率，可容忍更高的非线性效应。朗讯还推出了新型的全波光纤， 其主要方法是改进光纤的制造工艺，基本消除了光纤制造过程中引入的水份， 因而消除了常规光纤在1 3 8 5 n r n 附近有0 h 根离子造成的损耗蜂，将损耗从原来 的2 d b k m 降到0 3 d b k m ，这使光纤的损耗在1 3 1 0 1 6 0 0 n r a 的波长区间都趋 于平坦。据估计，这项技术可以使光纤可利用的波长增加l o o n m 左右，相当于 1 2 5 个波长通道( i o o g h z 通道间隔) 。用波分复用的技术观点思考问题，对光通 信窗口又有了的新认识，把1 5 7 0 1 6 0 4 n m 的波长范围称为l 波段，把短于1 5 2 5 n m 的波长范围称为s 波段。这个波段因为全波光纤的研制成功可以扩展到1 3 6 5 n m ， 因此这两个波段又可以分别称为光通信的第4 窗口和第5 窗口。 波分复用系统的性能由插入损耗、隔离度和信道带宽三个指标来衡量。插 入损耗是指因波分复用器件的引入而导致的功率损耗，这种损耗包括波分复用 器件自身周有的损耗以及波分复用器件与光纤的连接损耗。不同的波分复用器 件具有不同的插入损耗。隔离度是指由一个信道与另一个信道的耦合程度，隔 离度高。信道串扰小。因此原则上隔离度高一些好，但具体允许值还是根据用 途不同而定，通常在发送端，由于光谱线宽度很窄，只要相邻光源间隔足够大， 就不会有很多的光功率散发到指定信道的光谱宽度之外，因此对信道的隔离度 要求不是很高，而在接收端，由于光检测器的灵敏度在很宽的光谱范围内都很 高，因而当信道问的隔离度不够好时，很小的泄漏信号都会被光检测器检测到， 因此对接收端波分复用器件的隔离度要求较高。影响波分复用器件隔离度的主 要因素包括不理想的滤波特性、光源光谱的重叠、杂散光以及大功率应用的光 纤非线性等。 信道带宽是指分配给某一特定光源的波长范围。由于实际光源的波长与标 6 北京邮电大学博士学位论文 称波长有偏差，并且环境温度的变化也会引起激光器波长的变化，同时激光器 本身也有一定的线宽，因而在波分复用中相邻光源之间的间隔应足够大，才能 避免不同光源之间的串扰。鉴于商用波分复用的波长分辨率和技术成熟情况以 及e d f a 的增益特性，i t u t 建议的w d m 波长范围为1 5 2 0 1 5 6 5 n m ，信道问 隔为o 8 r i m ( 在1 5 5 m 波段对应1 0 0 g h z 频率间隔) 或o 8 n m 的整数倍。要实 现w d m 传输，必须有谱线宽度窄且工作稳定的半导体激光器和插入损耗低、 信道隔离度高的w d m 器件。目前，用于光通信的单纵模半导体激光器的谱线 宽度已达到1 - 3 n m ，而分布反馈式单纵模半导体激光器的谱线宽度可达到o 1 n m 或0 2 r i m 。按照i t u t 建议的最小信道间隔o 8 n m ，当激光器的谱线宽度达到 0 2 n r n 以下时，谱线宽度引起的串扰已很小。 光纤非线性对隔离度的影响主要来自不同信道的信号在光纤中传输产生的 受激拉曼散射效应，结果是使短波长信道的能量以较宽的拉曼散射增益谱向多个 长波长信道转移。根据拉曼散射增益谱，在1 3 t h z 处，有一较宽的主峰。其半 高宽度为2 7 0 c m o ( 约8 t h z ) ，拉曼频移范围为2 5 0 c m o 5 2 0 c m “( 7 5 16 t h z ) ，其 波长范围为6 0 r i m 1 2 4 n m ，因此当信号光较强时，短波长信道的能量向相隔较远 的长波长转移，发生短波长信道信号的衰减和拉曼串话 2 7 3 2 o 1 3 受激拉曼散射研究背景及现状 拉曼散射光谱作为研究物质结构一个强有力的工具，已有七十多年的历史 3 3 ，3 4 。早在1 9 2 3 年a s m e k a l 从理论上预言，当频率为的单色光入射 到物质以后，物质中的分子会对入射光产生散射，散射光的频率为v ，经 过了几年的努力，1 9 2 8 年印度物理学家拉曼( c v r a m a n ) 在研究液体苯的散 射光谱时，从实验上发现了这种散射，因而称为拉曼散射( 拉曼效应，拉曼光 谱) 。同时期苏联物理学家g l a n d s b e r g 和l m a n d e l s t a m m 在研究石英晶体 的散射光谱时，独立地发现了这种散射现象。因而，通常也1 1 l l 联合散射光谱后 北京邮电大学博士学位论文 柬相拉瑟克在拉曼理论上做了很多工作。他们发现在拍摄的散射光谱中在激发 线的两侧各存在一条谱，在低频侧的频率为，一a v ( 为激发线的频率， v 为该谱线与的频差) ，称之为斯托克斯线，或叫红伴线，在激发线高频一 侧的线，其频率为+ v ，称之为反斯托克斯线或叫紫伴线，激发线处的散射 谱线则称之为瑞利线，一种物质的拉曼线可以有若干对，每一对线( 一条斯托 克斯线和一条对应的反斯托克斯线组成一对) 对应于物质的某三个能级阳j 的差 值( 振动、转动或电子能级间的差值) ，自那时起拉曼光谱逐渐成为一个分析物 质结构的有力的工具。但拉曼散射谱线的强度十分弱，通常只有激发线的几千 分之一，最强的也只不过为几百分之一，最弱的甚至为几力分之一，而且反斯 托克斯线的强度比斯托克斯线的强度还要弱，这样给应用带来了困难，而且对 杂散光的屏蔽要求很严格，样品用量很大，一般要十几毫升，拉曼光谱应用的 发展也因此变慢了。直到1 9 6 0 年激光发现以后，由于激光具有亮度高( 功率大、 能量大) 、单色性好和高度偏振性等优点作为拉曼光谱的激发光来代替经典的 水银灯光源是十分理想的，因而迅速为科学工作者所利用，使拉曼光谱的研究 得以复兴起来，就此开辟了激光拉曼光谱学的研究。 拉曼光谱学主要是用来研究分子的振动能级以及晶体中晶格的光学声子振 动能级。通常利用窄谱带的光波来辐照待研究的晶体或装有液体( 或气体) 的样品 盒。然后分析散射的光谱，散射光的频率下移，其频移量恰好等于被激发材料的 振动频率，这种类型的散射称为斯托克斯散射。另一部分散射光的频率等于入射 光波频率与样品振动频率二者之和，这就是反斯托克斯散射。这两种散射统称为 拉曼散射，它又可分为受激拉曼散射和自发拉曼散射。 受激拉曼散射( s r s ) 是强激光与物质相互作用所产生的受激声子对入射光的 北京邮电大学博士学位论文 散射，而自发拉曼散射是热振动声子对入射光的散射。1 9 6 2 年e j w o o d b u r y 和 w k n g 把硝基苯放入红宝石激光器的共振腔内作克尔盒调q 实验时，首先发 现了受激拉曼效应 3 4 】。他们发现在红宝石激光6 9 4 3 n m 附近，出现一条7 6 7 o h m 的伴线，这伴线是硝基苯的斯托克斯线。当功率增加时，这条伴线强度显著增加， 光束方向变窄，光谱线宽也变窄即介质中斯托克斯光迅速增强，大部分泵浦能 量转移到斯托克斯波上。于是开拓了非线性拉曼散射的新领域，以后进行的大量 实验发现，很多材料都有受激拉曼效应，并发现了一些新的非线性拉曼现象。 光纤中受激拉曼散射最初的实验验证是在1 9 7 2 年 3 5 】，美国贝尔实验室的 r h s t o l e n 和e p z p p e n 等人就采用纯s i o , 光纤作为拉曼介质，用五= o 5 3 2 ui n 的倍频的n d ：y a g 激光作泵浦源泵浦一根芯径4pm 2 、长9 m 的光纤，由于当 时的损耗较大，结果7 5 w 的泵浦功率仅获得了一级斯托克斯辐射，其波长为0 ，5 4 5 um ，频移量为4 6 0 c m l 。在后来的实验中，用1 0 6 p e n 的n d ：y a g 红外光脉冲作 泵浦源，泵浦脉冲周期1 5 0 n s ，泵浦功率7 0 v 时在1 1 2 f r n 处观察到一阶斯托克 斯线【3 6 】，提高泵浦功率时，可以观察到更高阶的斯托克斯线，泵浦功率为l k w 时观察到的五阶斯托克斯光谱 3 7 ，3 8 。后一阶斯托克斯谱比前一阶斯托克斯谱 要宽，这是由几种非线性过程竞争所引起。此后又有多篇文章报道了光纤中的受 激拉曼散射效应，用锁模和q 开关n d ：y a g 的1 0 6 pm 激光泵浦，在单模光纤中 分别获得4 级和6 级红外斯托克斯光【3 9 】，用q 开关y a g 倍频激光器，在多模光 纤中已测到7 级受激拉曼散射谱，目前最高已得到1 5 级以上的斯托克斯线和1 0 级以上的反斯托克斯线 4 0 ，4 1 】。国内谷怀民等2 0 0 2 年等用连续5 3 2 n m 的y a g 倍频激光在9 2 0 m 的单模光纤中获得直到四级受激拉曼散射的s t o c k e s 光，其中 三级和四级的s r s 谱线较宽 4 2 1 。人们也一直试图从理论上解释光纤中的受激拉 9 北京邮电大学博士学位论文 曼散射现象 4 3 4 5 。 为研究斯托克斯谱的详细特征，s t o l e n 等用波长为0 5 1 4 5 t tm 的锁模激光 器发出的周期为i n s 的光脉冲，泵浦1 0 0 m 长光纤，研究一阶斯托克斯波在不同 泵浦能量下的性质 4 6 。结果发现在三个不同泵浦能量下的斯托克斯谱，较宽的 峰( 次峰) 出现在4 9 0 c m “处，当泵浦功率增加时，次峰的峰值功率饱和而主峰的 峰值功率增加。斯托克斯谱的双峰现象可以从拉曼增益谱为双峰曲线得到解释。 随着半导体激光器发射功率的增强，低损耗和小芯径单模光纤的普遍应用， 单模光纤的纤芯中能够得到并在很长距离上保持很高的光功率密度，使光与光纤 媒质在长距离上保持强烈的相互作用，而诱导出各种非线性光学效应，如受激拉 曼散射( s r s ) 、受激布里渊散射( s b s ) 、四波混频( f w m ) 、自相位调制( s p m ) 、交 叉相位i 周带, j ( x e m ) 等的发生【4 7 5 0 ，以致光纤通信系统的线性受到影响，其中 s r s 、s b s 的影响已不容忽视。近年来，许多文章报道石英光纤及掺e r 。掺g e 石英光纤的受激拉曼散射及其对波分复用系统和光纤放大系统的影响 1 9 - 2 3 ，5 1 ， 5 2 l ，利用光纤中的受激拉曼散射实现拉曼光纤放大、拉曼激光及拉曼孤子脉冲 的研究成果也已应用到光纤通信中。 光纤中的受激拉曼散射的一个重要应用是可调谐光纤拉曼激光器和宽带拉 曼放大器，与单程受激拉曼散射相比，不仅有较低的闽值功率，而且可在较宽的 频带( 约1 0 t h z ) 范围内调谐。用n d ：y a g 激光作泵浦的拉曼激光器可在1 1 一1 6 口m 波长范围内工作，覆盖光纤通信所使用的波段，这对光纤通信是非常有利的。当 泵浦脉冲的波长接近或位于必纤的反常色散区爽，拉曼脉冲的传播类似孤子，被 称作拉曼孤子效应，其主要应用是拉曼孤子激光器 5 2 。 光纤受激拉曼散射也有不利的面，就是拉曼诱导串话在多通道波分复用 0 北京邮电大学博士学位论文 系统中，受激拉曼散射使短波长信道作为长波长信道的泵浦源而将部分能量转 移到相近的信道，这在很大程度上限制了多信道光通信系统的性能 3 0 一3 2 ， 5 3 5 5 1 。它对通信质量的影响非常大，对于n 个信道的系统，波长最短的信道是 受拉曼诱导串话影晌最严重的，因为它向所有位于拉曼增益带宽的长波信道传 输功率。在频率间隔为! o o g h z 的w d m 系统中，通道间输出功率不大于l d b 时， 2 0 通道系统可允许l o m w 的输入信号功率，有关受激拉曼散射效应对波分复用光 纤传输系统的影响及克服这种影响的方法也正在被广泛研究，主要方法是将入 射功率限制在小于造成引起拉曼串话的阈值功率范围内，以及改变信道问隔及 输入端各个信道的功率分布。 1 4本文主要工作 本文用数值计算的方法，从拉曼散射光功率谱的角度研究了受激拉曼散射在 石英光纤中的产生、发展及应用，以及对波分复用系统的影响及消除办法。第二 章介绍拉曼散射和受激拉曼散射的基本理论，第三章讨论s r s 的在光纤中的产生 及传播根据熔石英拉曼增益曲线的特点，用数值计算方法对耦合波微分方程组 求解，在倍频的n d ：y a g 激光的泵浦下，计算出在不同泵浦光强下不同长度光纤 输出端的拉曼散射谱，由此分析受激拉曼散射的能量转移，得出受激拉曼散射的 阚值并分析输出端的拉曼散射谱。第四章讨论受激拉曼散射对波分复用光纤传输 系统的影响，在1 5 5 0 n m 的低损耗波段，对耦合波微分方程组，输入n 信道的等 功率信号光，从得到的输出端的信号的功率谱的变化与输入功率的关系，讨论不 同信道数目、不同信道问隔、不同输入功率情况下，s r s 对波分复用光纤传输系 统性能的影响，并与文献报道的实验结果进行了比较和讨论，最后第五章，提出 北京邮电大学博士学位论文 利用频谱反转技术消除s r s 对波分复用光纤传输系统影响，并通过数值模拟在理 论上证实其可行性。 参考文献 1 顾畹仪，“波分复用系统的发展和应用”辔詹利j n o 3 ，p p 2 4 - 2 7 。2 0 0 1 2g o v i n dp a g r a w a t ，n o n l i n e a r f i b e ro p t i c s ( 2 n de d i t i o n ) ，a c a d e m i cp r e s s ，s a nd i e g o ， 1 9 9 5 3 s 6 h a s t i e n b i g o ，e ta t 。“e x p e r i m e n t a t i n v e s t i g a t i o n o fs t i m u l a t e dr a m a ns c a t t e d n g l i m i t a t i o no nw d mt r a n s m i s s i o no v e rv a r i o u st y p e so ff i b e ri n f r a s t r u c t u r e s ”i e e e p h o t o n i c s t e c h n o l o g y l e t t e r s ，v 0 1 1 l ，n o 6 ，p p 6 7 1 6 7 3 ，1 9 9 9 4k e n n e t hk y w o n g ，m i c h e le m a r h i c ，m i n - c h e nh o ，e la l ，“3 5 一d bn o n l i n e a rc r o s s t a l k s u p p r e s s i o ni n aw d m a n a l o gf i b e rs y s t e mb yc o m p l e m e n t a r ym o d u l a t i o no ft w i n c a r r i e r s ”，i e e e p h o t o n i c st e c h n o l o g yl e t t e r s ，v 0 1 1 4 ，n o 5 ，p p6 9 9 7 0 1 ，m a y2 0 0 2 5 f r a n ks y a n g ，m i c h e le m a r h i c ， n o n l i n e a rc r o s s t a l ka n dt w oc o u n t e r m e a s u r e si n s c m - w d m o p t i c a lc o m m u